低轨卫星AIS在海事监管中的应用

中国海员网|海员必上的网站|中国船员招聘网在海事监管中的应用兰培真刘旺盛刘晓佳曹士连（集美大学航海学院，福建厦门361021）摘要：本文分析了我国远海海事监管现状和国际低轨道卫星发展情况，针对我国远海海域急需有效监管所存在的问题，提出了应用ORBCOMM低轨卫星AIS数据实现我国远海海域船舶监管的方案。关键词：海事监管；低轨卫星；自动识别系统（AIS）ApplicationofLEO-SatelliteAISinMarineMonitoringLANPei-zhen,LIUWang-sheng,LIUXiao-jia,CAOShi-lian(NavigationInstitute,JimeiUniversity,Xiamen,361021,China)Abstract:ThispaperanalyzedthestatusofmarinemonitoringinChinaseasandthedevelopmentofLEO-Satelliteinglobal.AccordingtothesituationthatChinaoceanwatersfarfromcoastlinecannotbemonitoredeffectively,weputforwardthevesselmonitoringprogrambeyondcoastalregionsbyusingORBCOMM’sLEO-satelliteAISdata.Keywords:marinemonitoring;low-earthorbitsatellites;automaticidentificationsystem（AIS）0引言随着世界各国贸易快速增长带来的世界船舶向着大型化与高速化趋势发展，船舶的数量与水域的交通密度不断增加，使得海上交通事故时有发生，同时海盗抢劫过往商船的事件经常发生，这些都严重威胁到船舶的航海安全与海洋生态环境。为了保障海上航行安全,保护海洋环境,保护人命财产安全,海事监管部门通过装载船舶自动识别系统（AutomaticIdentificationSystem,简称AIS），将船舶海上航行和进出港的安全保障提高到一个新的高度；但由于地面AIS系统的覆盖范围有限，仅限于近海岸20-30海里之间[1]，对于远离海岸线的交通事故和海盗事件，海事部门往往无法监测到，而通过使用低轨卫星是唯一扩大覆盖范围的可行方法。因此，美国、挪威等国家开始了星基AIS技术的研究，即在近地轨道上使用1颗或多颗卫星，来接收并解码AIS信息，再将信息转发给地面站，海事监管机构通过这种方式获取这些船舶信息，实现对远海海域航行船舶的监管。本文针对我国海事监管的现状，介绍ORBCOMM低轨卫星AIS系统的情况，提出应用低轨道卫星AIS数据实现远海海域船舶监管的方案，以提高我国海事监管的水平和能力。1卫星通信系统卫星通信系统实际上也是一种微波通信，它以卫星作为中继站转发微波信号，在多个地面站之间通信，卫星通信的主要目的是实现对地面的“无缝隙”覆盖，由于卫星工作于几百、中国海员网|海员必上的网站|中国船员招聘网几千、甚至上万公里的轨道上，因此覆盖范围远大于一般的移动通信系统。移动卫星通信则是将地面蜂窝状移动通信的有关技术与卫星通信技术相结合的一种新型通信手段，它使卫星通信技术水平提高到一个新的高度。按照工作轨道区分，卫星通信系统一般分为以下3类：（1）低轨道卫星通信系统(LEO)：距地面500—2000Km，传输时延和功耗都比较小，但每颗星的覆盖范围也比较小，要构成全球系统需要数十颗卫星。(2)中轨道卫星通信系统(MEO)：距地面2000—20000Km，传输时延要大于低轨道卫星，但覆盖范围也更大，当轨道高度为l0000Km时，每颗卫星可以覆盖地球表面的23.5％，因而只要几颗卫星就可以覆盖全球。(3)高轨道卫星通信系统(GEO)：距地面35800km，即同步静止轨道。理论上，用三颗高轨道卫星即可以实现全球覆盖。但是，同步卫星的传播时延和链路损耗最大。传统的高轨道（GEO）卫星通信系统因自身的一些缺点，正逐渐被中、低轨道卫星取代，尤其是低轨道移动卫星通信是近年来卫星通信的一个热点，许多大型通信公司纷纷推出各自的低轨道移动卫星通信系统方案，谋求建立和经营全球移动卫星通信网络，如美国MOTOROLA公司的Iridium系统、QUALCOMM公司的Globalstar系统、国际海事卫星组织的Inmarsat-P系统等。低轨道卫星通信系统分为大LEO系统和小LEO系统，所谓大LEO系统主要传输数字语音或高速数据业务，而小LEO系统只能提供双向低速数据，不能通话。以上列举的均为大LEO系统，兼顾语音、数据、传真等多种业务，信息速率较高，系统容量大，所以网络技术复杂，成本投资和用户费用都较大。而美国ORBCOMM公司的ORBCOMM系统属于小LEO系统，是全球第一个且到目前为止唯一的双向短数据低轨小卫星通信系统，由于只传输低速数据，不能提供话音、视频等业务，因而相对具有以下优势：（1）技术难度低、建设周期短；（2）卫星重量轻（43kg）且用户终端小巧便携；（3）投资少，终端价格和日常通信费用大大低于其他系统；（4）星座运行时自动化程度高、自主功能强。结合我国现有的实际情况，通过上述关于卫星通信系统的分析，可见ORBCOMM系统在整个卫星系统中具有独特的优势，因此，本文提出运用ORBCOMM低轨卫星AIS数据来建立我国远海海域的船舶监管的方案。2ORBCOMM低轨卫星通信系统ORBCOMM低轨道卫星通信系统由美国轨道科学公司和加拿大全球通信公司共同组建，该中国海员网|海员必上的网站|中国船员招聘网系统通过异地轨道卫星星座取代传统的地面通信站来提供低价位的全球覆盖，它直接连入Internet，以电子邮件的形式为用户服务，数据传输速率为2400bit/s。该轨道通信系统1997年开始商业运营，自投入使用以来，全球已有近90个国家获得了运营权。目前，所有ORBCOMM第二代卫星均设计配备了自动识别系统（AIS）有效载荷，接收与报告来自配备了AIS的海上船只的信号。2.1ORBCOMM低轨道卫星通信系统[2,3,4]ORBCOMM低轨道卫星通信系统有三个主要组成部分:空间段、地面段和用户终端,其系统构成示意图如图1所示。系统支持发送和接收双向字母数字数据包,用户利用该系统可以开展远程数据采集、系统监控、车辆船舶及移动设施的跟踪定位、短消息报文的传递等方面的应用。图1ORBCOMM卫星通信系统组成[2](1)空间段ORBCOMM系统空间段由47颗卫星(6颗备用)围绕7个轨道平面组成。低轨卫星的单星总重量90磅,通信有效载荷包括:6个用户接收机,1个网关接收机,1个DCAAS接收机,1个用户发射机(最大40W),1个网关发射机(最大5W),1个信标发射机(1W)。(2)地面段地面段包括一定数量的网关站和一个负责全球ORBCOMM系统管理的网管中心(NCC)。NCC通过遥测监控、系统指令和任务系统分析,负责对ORBCOMM空间系统进行管理,保证卫网关控制中心（GCC）专用连接地面段用户终端网关地面站（GES）空间段卫星电子邮件服务公共数据交换网拨号网络专线网络卫星频段：上行：148.0-150.05MHz下行：137.0-138.0MHz中国海员网|海员必上的网站|中国船员招聘网星系统的正常运作。同时它作为美国ORBCOMM系统的网关控制中心,负责管理所有经由美国ORBCOMM网关站的报文业务,目前设在美国Virginia的Dulles。网关站的主要任务是在一定的服务区内提供报文处理和对用户进行管理工作。一个ORBCOMM网关站含有一个网关控制中心(GCC)和至少一个网关地面站(GES)。为了便于经营管理，ORBCOMM系统允许每个国家或地区根据实际需要，可以建立一个或几个GES及一个GCC。GCC是ORBCOMM网关功能的运行中心,主要包括两个子系统:网关站文电交换系统(GSS)和网管系统(NMS)。GSS实施实际的报文处理、路由管理和信息转换,对外部网络能提供SMTP接口和X.25接口,网关站用户可以通过公用或专用数据网、租用线、异步拨号方式、Internet等接入；NMS主要是提供多项管理功能,包括监控ORBCOMM网关站内各系统和设备是否正常,监测ORBCOMM网关站内硬件的物理性能；监测报文处理流量,监测GES与GSS的相应连接状态,向NCC上报信息,它采用SNMP规程。GCC内部系统间采用LAN连接。(3)用户终端用户终端（SC）主要由用户通信器组成，实际就是一个无线电收发机。大致分为两种类型,一种用于偏远固定地点的数据采集和传输,另一种用于移动载体的双向数据和信息通信。用于固定地点数据业务的ORBCOMM用户通信器采用低成本的VHF电子器件,天线设计简易,设备结构简单,可以灵活安装,电子器件耗电低,可以使用电池、太阳能板或其它可用的电源设备支持长时间工作。用于移动载体双向信息通信的用户通信器是便携式的手持机,通常带有字母数字键盘和小显示屏。用户可以随时通过键盘和显示屏收发信息、数据及传真,与其它用户进行交互式通信。2.2ORBCOMM低轨道通信卫星系统工作原理当终端用户编排好信息或由Sensor采集好数据后，SC向卫星发送短数据，然后卫星将短数据转发到地面上的某个GES上，该GES再将信息传送到GCC中，GCC通过多种地面通信方式（如因特网、专线等）将信息传送到客户的管理中心，从而实现SC，到管理中心的短数据通信；同样，信息也可以按相反的方向传送，即把信息由管理中心传送到SC，实现SC和管理中心的双向短数据通信。3ORBCOMM低轨卫星AIS在我国海事监管的应用方案ORBCOMM接收到来自卫星的AIS数据时，ORBCOMM数据中心将过滤过的AIS数据“推送”到客户的服务器。我国海事监管系统购买并使用该数据，考虑到接收设备的维护情况和数据的中国海员网|海员必上的网站|中国船员招聘网使用情况，可在我国设立数据接收中心，来自ORBCOMM的数据通过Internet传输到中心，中心再将数据分别转发至各使用终端，具体见下图2所示。图2数据传输方案ORBCOMM数据接收系统方案如下图3所示，ORBCOMM发送数据要求有固定IP和端口，考虑到数据传输的稳定性，可租用电信的光纤进行传输，可以满足要求。同时应采用防火墙进行隔离，以阻隔非法连接，降低遭受网络攻击风险。AIS数据接收服务器数据服务器应用服务器路由器AIS信息显示系统AIS信息显示系统交换机路由器防火墙图3接收系统示意图接收到星基AIS数据后涉及到如何显示的问题，在软件上有两种可选的方案：（1）将星基AIS信息导入到目前海事岸基AIS系统中，用现有的系统进行显示的优点有：ORBCOMMAIS数据服务器ORBCOMMAIS数据服务器Internet交通部海事局交通部海事局星基AIS数据应用终端1星基AIS数据应用终端N……中国海员网|海员必上的网站